Переработка алюминия — это процесс, в котором вторичный коммерческий алюминий создается из лома или других форм алюминия с истекшим сроком службы или непригодного для использования по другим причинам алюминия. [1] Он предполагает переплавку металла, что дешевле и энергоэффективнее, чем производство первичного алюминия электролизом глинозема ( Al 2 O 3 ), очищенного из сырого боксита с использованием процессов Байера и Холла-Эру .
Переработка алюминиевого лома требует всего 5% энергии, используемой для производства нового алюминия из сырой руды. [2] В 2022 году в США было произведено 3,86 метрической тонны вторичного алюминия на каждую метрическую тонну произведенного первичного алюминия. За тот же период на долю вторичного алюминия пришлось 34% от общего объема новых поставок алюминия, включая импорт. [3] Использованная тара для напитков является крупнейшим компонентом переработанного алюминиевого лома, и большая часть его перерабатывается обратно в алюминиевые банки. [4]
Первым шагом в переработке алюминия является сбор и сортировка алюминиевого лома из различных источников. [5] Алюминиевый лом поступает в основном либо из производственного лома, либо из алюминиевых продуктов с истекшим сроком эксплуатации, таких как транспортные средства, строительные материалы и потребительские товары. [5] Производственный лом включает в себя куски, стружку, обрезки и другие остатки алюминия от производственных процессов. Постпотребительский лом состоит из устаревших или выброшенных алюминиевых изделий. В частности, алюминиевые банки [6] являются основным источником вторичного алюминиевого лома. После сбора алюминиевый лом сортируется по типу сплава, марке, уровню примесей и другим факторам. [6] Сортировка может осуществляться вручную или с использованием таких технологий, как вихретоковые сепараторы, воздушные классификаторы и сепараторы плотности. [7] Лом сортируется по таким категориям, как лом деформируемых сплавов, лом литейных сплавов, использованные банки для напитков, автомобильный лом и смешанный лом. Правильная сортировка необходима для производства высококачественного переработанного алюминия.
После сортировки лом может пройти предварительную обработку, чтобы подготовить его к переплавке. [8] Сюда могут входить прессование, измельчение, дробление, гранулирование, удаление покрытия и размагничивание. [9] Измельчение и дробление уменьшают размер частиц лома и освобождают его от других материалов, а при гранулировании образуются мелкие частицы, идеально подходящие для плавления. [10] Термическое удаление покрытий удаляет покрытия, такие как краска и пластик, с алюминиевых поверхностей. [7] Размагничивание удаляет частицы железа, прилипшие к алюминиевому лому. Предварительная обработка повышает плотность загрузки лома и удаляет загрязнения, что приводит к более быстрому плавлению, более чистому металлу, уменьшению образования окалины и снижению энергопотребления. [11]
После предварительной обработки алюминиевый лом подвергается плавке и обработке жидким металлом для получения рафинированного алюминиевого сплава, пригодного для литья или повторной обработки. [11] В зависимости от типа лома, желаемого качества металла и экономических показателей используются различные типы печей. Мелкий лом обычно перерабатывается во вращающихся или отражательных газовых печах, тогда как отдельные крупные куски лома можно загружать непосредственно в реверберационные печи через боковые колодцы. [10] Также используются электрические индукционные печи. По мере плавления лома добавляются флюсы для связывания и поглощения примесей, которые соскабливаются с его поверхности в виде шлака. Газообразный хлор также может вводиться для удаления примесей посредством флотации. Затем расплав может подвергаться процессам очистки, например, впрыскиванию флюса для дальнейшего снижения содержания водорода и примесей. Дегазация удаляет растворенный водород, а химическая фильтрация удаляет твердые примеси и включения. Конечным результатом является расплавленный алюминиевый сплав, готовый к литью. [12]
Расплавленный переработанный алюминий разливается в твердые формы, такие как слитки, заготовки, или непосредственно в листы или экструзионные заготовки. Литье в прямое охлаждение обычно используется для затвердевания жидкого алюминия в больших цилиндрических заготовках для экструзии или прокатки. [7] Метод прямого охлаждения распыляет воду на горячий металл при выходе из формы, быстро охлаждая его до твердого состояния заготовки. [13] Для слитков часто используются книжные формы, в которых получаются слябы, пригодные для переплавки или прокатки. [14] Непрерывное литье непосредственно формирует из алюминия прокатные слябы без промежуточного этапа литья слитков. При двухленточном или двухвалковом литье полос получают полосы сплава толщиной 6-7 мм непосредственно из расплава для последующей прокатки. Метод литья зависит от последующей обработки и использования переработанного алюминиевого сплава. [15]
Хотя алюминий в чистом виде производился еще в 1825 году, [16] объемы производства или переработки вторичного алюминия выросли с внедрением промышленно жизнеспособных процессов первичного алюминия, а именно комбинации процессов Байера и Холла-Эру. Процесс Холла -Эру для производства алюминия из глинозема был изобретен в 1886 году Шарлем Холлом и Полем Эру . [17] Карл Йозеф Байер в 1888 году разработал многостадийный процесс преобразования необработанного боксита в глинозем . [18] По мере роста производства алюминия с использованием этих двух процессов росла и переработка алюминия. В 1904 году в США были построены первые два завода по переработке алюминиевых банок; один завод по переработке отходов был построен в Чикаго, штат Иллинойс, а другой — в Кливленде, штат Огайо. [19] Объем переработки алюминия наиболее значительно увеличился в объемах, когда металлические ресурсы были ограничены во время Первой мировой войны, поскольку правительство США проводило кампанию за то, чтобы гражданские лица жертвовали старые продукты, такие как алюминиевые кастрюли, сковородки, лодки, транспортные средства и игрушки, для переработки для строительства алюминиевых планеров. . [19]
Алюминий — это материал, который можно перерабатывать бесконечно, и для его переработки требуется на 95 процентов меньше энергии, чем для производства первичного алюминия, что также ограничивает выбросы, включая парниковые газы. Сегодня около 75 процентов всего произведенного в истории алюминия, почти миллиард тонн, все еще используется. [20]
Переработка алюминия обычно обеспечивает значительную экономию средств по сравнению с производством нового алюминия, даже если принять во внимание стоимость сбора, разделения и переработки. [21] В долгосрочной перспективе экономия на национальном уровне будет еще большей, если принять во внимание сокращение капитальных затрат, связанных со свалками , шахтами и международной доставкой необработанного алюминия.
При переработке алюминия используется около 5% энергии, необходимой для создания алюминия из боксита ; [22] количество энергии, необходимое для превращения оксида алюминия в алюминий, можно наглядно увидеть, когда процесс обращается вспять во время сгорания термита или композитного топлива на основе перхлората аммония .
Экструзия алюминия в штампе представляет собой специфический способ получения многоразового материала из алюминиевых отходов, но не требует больших энергетических затрат на процесс плавки. В 2003 году половина продукции, изготовленной из алюминия, была изготовлена из переработанного алюминиевого материала. [23]
Выгода в отношении выбросов углекислого газа частично зависит от типа используемой энергии. Электролиз можно проводить с использованием электричества из источников неископаемого топлива, таких как ядерная, геотермальная, гидроэлектрическая или солнечная энергия. Производство алюминия привлекают источники дешевой электроэнергии. Канада, Бразилия, Норвегия и Венесуэла имеют от 61 до 99% гидроэлектроэнергии и являются крупными производителями алюминия. Однако аноды, широко используемые в процессе Холла-Эру, изготовлены из углерода и расходуются при производстве алюминия, выделяя большое количество углекислого газа, независимо от источника электроэнергии. [24] В настоящее время предпринимаются усилия по устранению необходимости использования угольных анодов. [25] Использование переработанного алюминия также снижает потребность в добыче и переработке бокситов.
Огромное количество используемого алюминия означает, что даже небольшие процентные потери представляют собой большие затраты, поэтому поток материала тщательно контролируется и учитывается по финансовым причинам. Эффективное производство и переработка также приносят пользу окружающей среде. [26]
Поскольку многие страны продолжают полагаться на угольную электроэнергию для производства алюминия, на алюминиевую промышленность приходится 2% мировых выбросов парниковых газов, около 1,1 миллиарда тонн углекислого газа. [27] Многие страны в настоящее время стремятся обезуглероживать алюминий не только потому, что это второй наиболее используемый металл в мире, но и потому, что это позволит серьезно сократить общие выбросы парниковых газов в попытке замедлить изменение климата. [28]
Алюминий, один из наиболее поддающихся переработке и переработке материалов, используемых сегодня, может перерабатываться практически бесконечно. Поскольку на переработанный алюминий уходит 5% энергии, используемой для производства нового алюминия, около 75% произведенного алюминия продолжает использоваться сегодня. [29] По данным Алюминиевой ассоциации, на промышленных рынках, таких как автомобилестроение и строительство, алюминий перерабатывается до 90%.
С 1991 года выбросы парниковых газов из алюминиевых банок снизились примерно на 40%, что соответствует уровню спроса на энергию. Это можно объяснить снижением углеродоемкости производства первичного алюминия, повышением эффективности производственных операций и облегчением банок. [30] Хотя первичный алюминий составляет лишь 26,6% банки, он является основным источником углеродного следа банки. Например, по состоянию на 2020 год 86% производства алюминия в Китае в основном зависит от электроэнергии, вырабатываемой из угля. С другой стороны, Канада обеспечивает примерно 90% своего производства первичного алюминия за счет гидроэлектроэнергии, считая ее самой устойчивой в мире. [28]
Алюминий и его области применения широки и многочисленны – от оборонного строительства и передачи электроэнергии до ключевой роли в производстве товаров, сокращающих выбросы (электромобили и солнечные панели). Таким образом, страны начали декарбонизировать алюминий для борьбы с глобальным изменением климата.
Переработка алюминия имеет несколько экономических преимуществ, если все сделано правильно. Фактически, Агентство по охране окружающей среды считает переработку «критической» частью экономики Соединенных Штатов, способствующей налоговым поступлениям, заработной плате и созданию рабочих мест. [31] Упрощая переработку лома и повышая его эффективность – от лома, вышедшего из эксплуатации, до повторного использования лома на этапе производства («внутренний» лом) – переработка алюминия помогает в достижении целей экономики замкнутого цикла. [32] Этот тип экономики ориентирован на минимизацию добычи природных ресурсов, что приводит к сокращению потребительских и промышленных отходов. Несколько примеров стран, которые перешли к экономике замкнутого цикла, включают Европейский Союз, Финляндию, Францию, Словению, Италию, Германию и Нидерланды. [33]
Недавнее исследование, проведенное в Соединенных Штатах, выявило некоторые способы, которыми переработка алюминия имеет экономические выгоды, в том числе:
Поскольку страны принимают к сведению различные экономические и экологические преимущества переработки алюминия, ожидается, что активизируются усилия по повышению эффективности этого процесса.
По данным Международного института алюминия за 2020 год, глобальный уровень эффективности переработки составляет 76%. Около 75% из почти 1,5 миллиардов тонн когда-либо произведенного алюминия все еще находится в продуктивном использовании. [34]
Бразилия перерабатывает 98,2% производимых ею алюминиевых банок, что эквивалентно 14,7 миллиардам банок для напитков в год, [35] занимая первое место в мире, что превышает показатель восстановления в Японии, равный 82,5% . Бразилия возглавляет рейтинг по переработке алюминиевых банок восемь лет подряд. [36]
Помимо переработанных алюминиевых банок для напитков, большая часть переработанного алюминия представляет собой смесь различных сплавов. Эти сплавы обычно имеют высокий процент кремния (Si) и требуют дополнительной очистки в процессе измельчения, сортировки и рафинирования для уменьшения примесей. Из-за большого количества примесей, обнаруживаемых после рафинирования, применение переработанных алюминиевых сплавов ограничивается литьем и экструзией. Аэрокосмическая промышленность часто ограничивает уровень примесей Si и Fe в сплавах максимум 0,40%. Контролировать появление этих элементов становится все труднее, чем чаще металл подвергается вторичной переработке, и требуются более дорогостоящие операции, чтобы сплавы соответствовали эксплуатационным требованиям. [38]
Белый шлак, остаток от производства первичного алюминия и операций по вторичной переработке, обычно классифицируемый как отходы, [39] все еще содержит полезные количества алюминия, который можно извлечь в промышленности. [40] В результате этого процесса производятся алюминиевые заготовки вместе с очень сложными отходами. С этими отходами трудно справиться. Он реагирует с водой, выделяя смесь газов (включая, среди прочего, водород , ацетилен и аммиак ), которая самопроизвольно воспламеняется при контакте с воздухом; [41] контакт с влажным воздухом приводит к выделению большого количества газообразного аммиака. Однако, несмотря на эти трудности, отходы нашли применение в качестве наполнителя асфальта и бетона . [42]